基于CFD仿真的476Q汽油机进气管结构设计与分析

姚瑞敏，张艳岗

（1.山西工程职业技术学院机械工程系，山西太原030009；2.中北大学机械与动力工程学院，山西太原030051）

基于CFD仿真的476Q汽油机进气管结构设计与分析

姚瑞敏1，张艳岗2

（1.山西工程职业技术学院机械工程系，山西太原030009；2.中北大学机械与动力工程学院，山西太原030051）

在获取发动机进气管结构参数的基础上，利用Pro/E软件构建476Q进气管三维模型，通过CFD软件进行气体流动过程仿真分析，改变进气歧管的管长和管径，分析进气管内压力波动和气流速度的变化趋势，选取了最优的进气管结构，为同类型汽油机进气管的结构设计提供了参考。

汽油机进气管CFD

普通发动机的进气管部分的设计性能测定一般都会应用稳流实验来进行，稳流实验和三维数值模拟研究能够产生气流流动过程的重要信息，从而能够较为客观地反映出几何形状对流动状态的关联和影响关系。但是，稳态模拟还无法完全实时准确地预测开始燃烧前一刻气缸内的流动状态和湍流强度，无法获得关于缸内流场结构的有效信息，设计则会更加依靠设计者的从业经验和感觉，这便是稳态模拟的一个重大问题[1]。基于数值模拟的流体动力学方法则使得详细研究气道内气体流动更具可行性，通过CFD分析可以掌握气道及缸内的压力场、流速场等参数的分布，更加高效地研究结构参数及其相对位置对流动特性的关联影响，进而可以为进气系统设计与改进提供重要的参考数据和信息。

1 476Q汽油机进气管结构设计

结合476Q汽油机的结构参数（见表1），在分析该机型的气体流动状态的基础上，采用传统设计方法设计了进气总管长度和直径，以及进气歧管的具体结构。进气管示意图见图1，详细尺寸见表2。

2 进气管CFD仿真模拟及优化分析

2.1 建立有限元模型

2.1.1 划分网格

划分网格应该首先将计算区域划分为两个区域来应对，一是对于进排气门和气缸顶部的区域的计算，应随着时间的变化而同步变化；二是对远离气门的进排气道和燃烧室部分的区域的计算。第一部分应采用四面体网格，在进排气门运动时应采用分层网格运动的方式。第二部分应采用六面体网格提高计算的精确度，这样能够保证网格在运动过程中的合理状态，会有效避免网格形状严重变形、网格质量恶化的不良状况。

表1 476Q汽油机的结构参数

图1 进气管示意图

表2 进气管的基本结构参数

采用ANSYS的前处理器ICEM进行网格划分，划分后的几何模型网格图如图2所示。

图2 设计的进气管网格模型

2.1.2 边界条件的确定

1）入口边界条件。采用压力入口，设置压力为100 kPa。

2）出口边界条件。采用压力出口，设置压力为97.5 kPa。

3）壁面边界条件。对进排气道壁面、缸盖壁面以及燃烧室壁面设置为无滑移固壁条件，即固体表面上流体的紊流参数和速度为零；气门和活塞顶部设置则设置为运动。壁面温度采用绝热边界条件，温度为288.0 K，壁面速度采用无滑移边界条件，采用湍流壁面函数对边界层进行处理。

2.2 进气歧管管长、管径的优选分析

进气歧管的管长和管径是发动机进气系统的重要参数，良好的设计可以提高发动机的充气效率，强化发动机的动力性[2]。由于进气过程是动态过程，在进气歧管内存在周期变化的压力波，这种压力波将会直接影响进气的效果。对于不同的转速而言，需要匹配相应的管长和管径，则可改善进气的效果。所以进行了进气歧管尺寸对压力和速度的影响的研究，分为三个仿真方案，如表3所示。

表3 进气歧管的管长和管径

2.2.1 进气歧管尺寸对压力的影响

将方案一、方案二、方案三的进气管网格结构用FLUENT软件进行仿真分析，得到3种计算方案的静压云图，如图3、图4、图5。

图3 方案一压力图

图4 方案二压力图

图5 方案三压力图

由图3、图4、图5显示，在进气过的程中，气流发生了旋转、分离和回流等现象，尤其是压力值较大的地方（颜色深）更容易发生这种状况。随着进气歧管管长和管径的减小，进气管内的平均压力就会变得越来越大，越来越不利于提高发动机的充气效率。由此可得，初步选择方案一和方案二比较合适。

2.2.2 进气歧管尺寸对气流速度的影响

将方案一、方案二、方案三的进气管网格结构用FLUENT软件进行仿真分析，得出方案一气流速度图如下页图6所示、方案二气流图如下页图7所示，方案三气流图如下页图8所示。

分别比较图6，图7，图8可知，方案三的总体进气速度小于方案一和方案二，并且通过对进气歧管气流速度的分析，可以确定方案二效果的最低燃油消耗率比较接近技术要求，所以优先选取方案二，即L2=286mm，d2=38mm。

图6 方案一气流速度图

图7 方案二气流速度图

3 结论

本文利用经验数据及同类机型的相关数据进行了476Q汽油机的进气管初步设计,并通过CFD软件对进气管的气体流动状态进行了仿真分析，优化了进气管的结构参数。得出以下结论：

图8 方案三气流速度图

1）利用进气管中的谐振效应，匹配优良的进气总管、稳压腔、进气歧管，可以提高发动机的进气速度和湍动能，进气系统的结构尺寸对充气效率，有较大的影响，从而影响着发动机的动力性、经济性与排放性能[3-4]。

2）FLUEN计算结果表明，CFD可以较为准确的预测发动机进气管流场，可以做为辅助设计发动机进气管正向设计的有效手段。

[1]王健,刘德新.四气门汽油机进气道流动特性的稳流试验研究[J].内燃机学报，2004（12）：183-184

[2]李鑫，熊锐，吴坚，等.进气歧管的管长和管径对发动机性能影响的探讨[J].广东工业大学学报，2013（1）：97-98.

[3]窦昊，何云信，谢文尚，等.CFD辅助发动机进气管的研究[J].装备制造技术，2010（4）：17-18.

[4]蒋德明.内燃机中的气流流动[M].北京：机械工业出版社，1986.

（编辑：苗运平）

Design and Analysis of 476Q Gasoline Engine Intake Pipe Structure Based on CFD Simulation

YAO Ruim in1,ZHANG Yangang2

（1.Department of M echanical Engineering,Shanxi Engineering Vocational College，Taiyuan Shanxi030009；2.College of M echanical and Power Engineering,North University of China,Taiyuan Shanxi030051）

On the basis of the engine intake pipe structure parameters,Pro/E software is used to build three-dimensionalmodel for 476Q intake pipe.Through simulation analysis of CFD software for gas flow process,the length,diameter of intake pipe are changed and the change trend of pressure fluctuation in intake pipe and air velocity are analyzed.Optimal inlet pipe structure is selected，providing reference for structure design of same gasoline engine intake pipe.

gasoline engine,intake pipe,CFD

TE319+.1

A

1672-1152（2017）02-0025-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.02.10

2016-12-20

姚瑞敏（1982—），女，山西长治人，2010年毕业于中北大学，硕士学位，现为山西工程职业技术学院讲师，研究方向为机械设计制造及其自动化。